I. 제조업의 새로운 성장 엔진, 3D 프린팅
가. 3D 프린팅의 개념
- 액체, 고체 소재 이용 3차원 설계 데이터 기반 적층 제조법으로 실물 모형, 부품 등 형상화 기술
나. 3D 프린팅의 특징
| 특징 | 내용 |
|---|---|
| 다품종 소량생산 | 하나의 물건만 찍어내도 적은 비용 |
| 모양 | 어떤 모양이든 자유롭게 제작 가능 |
| 프로토타입 | 프로토타입 반복 제작 적합 |
II. 3D 프린팅의 개념도 및 작동 원리
가. 3D 프린팅의 단계적 제작 개념도
| 1단계 | 2단계 | 3단계 |
|---|---|---|
나. 3D 프린팅의 작동 원리
| 작동 원리 | 내용 | |
|---|---|---|
| 기본 작동 원리 | 미분과 적분을 통한 적층 얇은 막을 적분과 같이 한 층씩 바닥부터 꼭대기 까지 쌓아서 물건의 형태를 완성 레이어를 넓거나 좁게 위치 조절해가며 쌓아 올림 한 층을 이루는 레이어 두께는 0.01 ~ 0.08mm 사용재료는 종이, 금속분말, 플라스틱 등 | |
| 단계별 작동 원리 | 설계 및 미분 | 물체를 3차원 설계해 CAD 파일로 준비 파일 잘게 단층 쪼개 2차원 그림 생성 |
| 적층 및 적분 | 프린터 노즐에 광경화성 수지를 뿌려, 단층으로 쪼갠 모양대로 한 층씩 쌓음 광경화성 수지: 자외선을 쬐면 굳는 액체형 플라스틱 빈 공간 부분에 물에 녹는 수지 뿌림 | |
| 건조 및 완성 | 완성 후 자외선 램프를 쪼아 말림 빈 공간이 될 부분에 있는 수지는 물을 강하게 분사 완성 후 원하는 색깔을 입힘 | |
3D 프린팅은 사용 재료의 형태에 따라 액체기반(SLA), 파우더기반(SLS), 고체기반(FDM)으로 나뉘며, 조형속도, 정확도 등 세부적인 차이 존재
III. 프린팅 과정 및 구성요소
가. 프린팅 과정
| 단계 | 설명 | 활동 |
|---|---|---|
| 모델링 | 3D 물체의 설계 도면 작성 | CAD와 같은 도구로 물체를 3차원 구성 CAD파일을 STL 포맷으로 변환 |
| 프린팅 | 원료를 쌓아 제품 생산 | STL 파일을 프린터에서 분석 Layer Slicing 기술로 제품을 프린팅 |
| 마무리 | 제품을 굳히거나 표면처리 | 완성물 주변의 찌꺼기 제거, 경화작업, 코팅, 페인팅 작업 통해 최종 결과물 완성 |
나. 프린팅 구성요소
| 구성요소 | 상세 설명 | 요소 기술 |
|---|---|---|
| 3D 모델링 소스 | 3D 모델링 도면 생성 원천 소스 | CAD, CT, 초음파등 |
| STL 포맷 | STereo Lithography 복잡한 형상의 3D오브젝트 표현 | 해당 없음 |
| Layer Slicing | 입체모형을 얇게 잘라 단층모형으로 입력 | Cura, Make Ware |
| Build Box | 모형 제작에 쓰이는 Resin, 파우더 등의 재료가 담기는 부분 | 합성수지, 석고, 나일론 등 |
| 프린터 헤드 | 재료를 녹이고 설계 도면에 근거하여 분사하고 Layer를 쌓아올림 | 접착액 분사 자외선 분사 방식 |
| 3D 스캐너 | 입체모형을 다각도에서 읽는기능 | 접촉식, 비접촉식 |
| Elevator | 프린터 헤드가 입체 모양에 맞게 재료를 분사 시 이동 수단 | 헤드와 노출의 이동 |
| Build platform | 제품을 쌓아올리게 되는 바닥 지지부분 | 해당 없음 |
IV. 3D 프린팅 주요 기술 방식과 방식 별 분류
가. 재료에 따른 3D 프린팅 주요 기술 방식
| 분류 | 기술 | 조형방식 및 특징 |
|---|---|---|
| 액체 기반 | SLA(Stereolithography), Jetted Photopolymer, Ink Jet Printing | 액체 형태의 재료 사용 레이저나 강한 자외선을 이용, 재료를 순간적으로 경화시켜 형상 제작 가장 널리 쓰이는 기술, 중간 정도의 조형속도 |
| 분말 기반 | SLS(Selective Laser Sintering) DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 3DP(Three Dimensional Printing) | 미세한 플라스틱 분말(power), 모래, 금속 성분의 가루 분말 형태의 재료를 가열, 결합하여 조형 재료 형태에 따라 접착제를 사용하는 시스템, 레이저를 사용하는 시스템 등이 있음 조형속도 빠름 |
| 고체 기반 | FDM(Fused Deposition Modeling) | 와이어(wire), 필라멘트 형태 재료 사용 필라멘트 등의 열가소성 재료를 열을 가해 녹인 후 노즐을 거쳐 압출되는 재료를 적층하여 조형 |
| LOM(Laminated Object Manufacturing) | 마분지 같이 얇은 플라스틱 시트/필름 형태의 재료 사용 플라스틱 시트를 접착하면서 칼을 사용해 절단 후 적층하여 조형 | |
| PolyJet | 왁스(wax) 성질의 패럿(작고 둥근 알 또는 공 모양의 알갱이)을 재료로 사용 재료를 헤드에서 녹여 노즐을 통해 분사 |
나. 3D 프린팅 주요 기술 방식의 재료 및 특징
| 방식 | 재료 | 특징 |
|---|---|---|
| FDM | ABS, PLA, Thermoplastic(Semi-Liquid), Food | Fused Deposition Modeling 열에 녹는 모델 Part/서포트 필라멘트를 사출 헤드로 출력하여 조형, Layer 두께 0.1mm 이상 대중화 주도 |
| MJM | ABS Like, 아크릴 | Multi Jet Modeling 모델 Part/서포트 광경화성 수지를 잉크젯 프린터처럼 분사하여 UV Light로 고형 표면조도가 매우 매우 우수 |
| (Liquid-Inkjet) | ||
| 3DP | 석회가루 등 파우더 | Three Dimensional Printing 파우더 재료에 접착제를 사용하고, 잉크젯 프린터 헤드를 통해 컬러 잉크 사용하여 컬러 출력 가능 표면조도 약간 미흡 |
| DLP | Liquid Resin | Digital Light Processing 액상수지를 광학 적층 DLP 경화 표면조도가 매우 매우 우수 |
| SLA | Liquid Photopolymer | Stereolithography 광경화성 액상 수지를 UV 레이저 빔으로 경화 표면조도가 매우 우수 |
| SLS | ABS, PLA, 왁스, 세라믹, 나일론, 유리, 금속 등 파우더 | Selective Laser Sintering 플라스틱, 금속 등 분말을 레이저빔으로 녹여 조형 재료강도가 매우 우수 |
| LOM | 종이, 금속 호일, 플라스틱 필름 등 Sheet | Laminated Object Manufacturing 재료를 겹겹이 층을 쌓아 조형 A4 종이 재료 기반은 표면조도가 우수, 종이외 타재료 방식은 표면조도가 약간 부족 |
| DMLS | 금속 합금 | Direct Metal Laser Sintering 금속 파우더를 레이저로 소결하여 제작 재료강도가 매우 우수 |
| EBM | 티타늄 합금 | Electron Beam Melting 금속 파우더를 전자 빔으로 용해하여 제작 재료강도 매우 매우 우수 |
| SHS | Thermoplastic 파우더 | Selective Heat Sintering Thermal Print Head 사용 적층 Layer 두께 0.1 mm |